空間碎片：亦遠亦近的太空垃圾_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-07-06 10:23
撰文 | 韋棟
視頻製作 | 朱聽雷
編輯 | 王科超、高娜
來源 | 中國科學院紫金山天文台微信公眾號
為解決垃圾圍城問題，7月1日起，《上海市生活垃圾管理條例》正式實施，垃圾分類進入強制時代。一時間，網絡上出現了許多段子，其中最有趣的一條是，上海市民每天都要經受兩次來自老阿姨的靈魂拷問：“儂是啥垃圾？”
實際上，垃圾圍城的問題不僅存在於都市，在遙遠的太空，也同樣存在着嚴重的環境問題。今天我們就來説一説太空環境的最大污染源——空間碎片。
那麼什麼是空間碎片呢？
聯合國和平利用外層空間委員會（UNCOPOUS）和機構間空間碎片協調委員會（IADC）對空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。
空間碎片具體包括：完成任務的火箭箭體和衞星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產生的碎塊等。
換句話説：由人類的太空活動產生，又對人類沒有功能的太空物體，都是空間碎片。
例如，1970年發射的我國第一顆人造衞星“東方紅一號”至今仍然在軌，但是隨着其功能失效，從定義上講，它早已是一個空間碎片。
基於自主編目數據仿真預報2019年7月10日“東方紅一號”的監測情況 | 視頻來源：中科院空間目標與碎片觀測研究中心
再比如最近Spacex公司推動的太空互聯網Starlink星鏈計劃，其首批60顆試驗衞星已經通過獵鷹9號火箭成功發射，這些試驗衞星在其失效後，也將成為新的空間碎片。
starlink一箭60星的實測圖像 | 圖源：中科院空間目標與碎片觀測研究中心
那麼空間環境的現狀是怎樣的呢?
自1957年第一顆人造地球衞星升空以來，截至2019年7月1日，人類共把8461顆航天器送入軌道，其中3432顆已經隕落，5029顆航天器仍然在軌。然而，在這5029顆在軌運行的航天器中，僅有1000多顆航天器仍然在正常工作，其餘的都已經喪失功能變成了空間碎片。在此期間，太空還發生了數百次的在軌航天器或火箭解體、爆炸和撞擊事件，產生了數量眾多的空間碎片。
空間碎片數量增長圖 | 圖源：NASA
這樣，在太空就形成了一個人為的外層空間環境——空間碎片環境。據統計，目前數億毫米級以上的空間碎片運行在地球軌道空間，總質量達到幾千噸。
空間碎片環境變化 | 圖源：NASA
空間碎片對在軌航天器的危害
太空中如此多的空間碎片，會對在軌航天器的安全運行造成極大的威脅。目前，中國在軌航天器已達356顆，與空間碎片在100米以內的近距離危險交會，平均每年發生數十次。雖然大部分空間碎片的尺寸較小，但空間碎片運行速度非常快，平均速度是子彈的二十倍。因此，小尺寸空間碎片也具備極大的動能，一旦撞上航天器，將造成災難性的後果：釐米級以上空間碎片可以導致航天器徹底損壞，毫米級或微米級空間碎片可以導致航天器性能下降或功能失效。
美國航天飛機STS-7舷窗玻璃上的碎片撞擊坑 | 圖源：NASA
地球軌道空間不可承受之重
更為緊迫的是，隨着航天發射門檻的降低，空間碎片數量的增長還在不斷加快。在低地球軌道區域，釐米級空間碎片由2005年的30萬個增長到2015年的50萬個。
根據美國空間碎片研究專家Kessler的研究結果，按照目前的空間碎片增長速度估算，如果不採取任何措施， 70年後空間碎片數量將達到發生碎片鏈式撞擊效應的臨界值，之後近地空間將徹底不可用。這就意味着我們的子孫後代將無法再繼續探索星空，因此聯合國、IADC、ESA等國際組織已陸續編寫了各項太空行為準則，對各國的太空活動進行約束和規範，避免人為原因產生更多的碎片。
改善空間環境的技術手段有哪些？
那麼如何通過技術手段改善空間環境，避免空間碎片損壞我們的衞星和載人飛船、空間站呢？
第一種是被動防護，即在航天器的表面採取防護措施，比如安裝防護板。
國際空間站碎片防護結構示意圖 | 圖源：NASA
第二種是主動防護，即開展空間碎片的跟蹤觀測，通過軌道計算確定航天器與較大尺寸空間碎片的軌道，並計算航天器與碎片發生碰撞的概率，一旦碰撞概率到達預警值，就讓航天器進行規避機動。
第三種是開展主動碎片移除，即發射專用的航天器，通過機械臂抓捕、飛網捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式把較大尺寸的碎片清除。
e.deorbit 碎片主動清除任務概念圖 | 圖源：ESA歐空局
e.deorbit 飛網捕捉碎片示意圖 | 圖源：ESA歐空局
第四種是空間碎片減緩，例如對地球低軌道上的碎片進行降軌使其進入大氣層燒燬，對地球同步軌道碎片使其升軌而進入墳墓軌道，從而達到保護在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風險的目的。
結束語
空間碎片在離我們數百甚至上萬公里的太空，但是空間環境的保護問題事關人類太空的發展，離我們每個人都很近。保護太空環境，給我們的子孫後代留下一個燦爛的星空，是我們全人類的共同職責。
關於空間碎片今天就介紹到這裏，更多內容，請期待後續文章。
作者簡介：韋棟：中國科學院紫金山天文台，中國科學院空間目標與碎片觀測研究中心助理研究員，研究領域：空間目標軌道動力學。
版權聲明：本文經中國科學院紫金山天文台微信公眾號（caspmo）及作者本人授權轉載。
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